HVAC 系统的作用不仅仅是在室外温度升高时提供顺畅的冷空气流动。 在这些系统中，空气通过过滤器以确保高空气质量。 由于清洁空气岌岌可危，建模和仿真可用于深入了解空气通过过滤器时行为背后的物理原理……
空气过滤器建模
暖通空调系统内的过滤器依赖于能够过滤空气并捕获灰尘、花粉和细菌等颗粒物的材料（通常是玻璃纤维或棉折叠）。 这些材料会影响空气的流动，捕获不需要的颗粒，同时允许过滤后的空气流过。 对这些设备及其引起的湍流进行建模可以确定不同材料用于过滤器时的有效性，帮助设计人员在投资现实生活中的实验版本之前缩小材料选择范围。
在这篇博文中，我们将以常见的空气过滤器几何形状（如下所示）为例。
模型几何形状显示入口部分和较长的出口部分，过滤器放置在两者之间。 过滤器几何形状的网格比开放流体域更密集。
该空气过滤器的建模从 CFD 模块开始，该模块是 COMSOL Multiphysics 的附加产品® 软件，使用户能够在开放和多孔域中创建雷诺平均纳维-斯托克斯 (RANS) 湍流模型。 在此示例中，空气过滤器被建模为高度多孔的域，其中 90% 的材料被直径为 0.1 mm 的圆柱形孔占据。 空气过滤器的支撑由带有防滑壁的框架表示。 对于这个例子，我们采用了 湍流，k-ω 接口，因为它对于具有许多墙壁（包括防滑墙）的模型具有准确性。 （可以在模型文档中找到对模型设置的深入了解，可以通过本博客文章末尾的按钮访问该文档。）
评估结果
求解模型可以可视化空气流向、穿过和经过过滤器时湍流、速度和压力的变化。 计算从空气流向过滤器（下图中的紫色）开始。 当空气通过过滤器时，间隙速度增加（尽管多孔平均速度保持恒定），导致湍流动能增加。 此外，由于壁面数量较多，速度增加、摩擦力和压力损失增加，导致压力突然下降。 至于空气离开过滤器时的行为，过滤器的框架会阻止空气自由移动，反而会引起下游空气尾流。
穿过多孔空气过滤器的压力显着降低。
空气流过过滤器的可视化可用于推断过滤器是否会去除空气中的污染物。 为了证实这个结论，可以使用不同的切片图来评估解决方案。 此示例的切片图之一表明空气速度受多孔空气过滤器和框架的影响最大，并且空气在尾流区域中均匀化。 测量湍流动能的切片图显示，湍流动能在过滤器内明显达到峰值，并在无滑移壁上达到典型值。
一般来说，该模型表明过滤器内的压力下降和湍流急剧增加，从而产生垂直于流动主方向的速度扰动，从而也增加了颗粒与孔壁碰撞并停留在那里的可能性。 换句话说，湍流的增加提供了过滤掉不需要的颗粒所需的混合，否则这些颗粒将不受干扰地流过孔隙。
显示湍流动能的切片图。 多孔空气过滤器中的湍流水平明显高于自由流或管道壁附近的湍流水平。